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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Ankerhubs eines Steuerventils. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Steuerventils. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt zumindest eines der Verfahren durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um alle Schritte zumindest eines der Verfahren durchzuführen.
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Stand der Technik
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Der Betrieb eines an einen Kraftstoffhochdruckspeicher (Common Rail) angeschlossenen Kraftstoffinjektors für die Kraftstoffdirekteinspritzung ist nach wie vor eine große Herausforderung. Zwar kann der Ankerhub mittlerweile auf +/-1 µm genau eingestellt werden, durch Verschleiß und Laufzeiteffekte und durch verschieden Betriebsbedingungen kann der tatsächlich vorliegende beziehungsweise erreichte Ankerhub aber wesentlich stärker streuen. Dabei sind insbesondere zu kleine Ankerhübe für die Injektorfunktion problematisch, weil zu Sitzdrosselung und damit deutlich reduzierter Einspritzmenge führen können. Ein zu hoher Ankerhub kann erhöhte Verschleißerscheinungen hervorrufen.
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Die Auswertung des Signals eines piezoelektrischen Nadelschließsensors (needle closing sensor; NCS) erlaubt einen Rückschluss auf den Ankerhub. Die Verwendung eines solchen piezoelektrischen Nadelschließsensors wird in der
DE 10 2014 204 098 A1 beschrieben. Aufgrund der nicht genau bekannten piezoelektrischen Eigenschaften des Nadelschließsensors ist diese Methode allerdings ungenau. So erfolgt im Betrieb und über die Laufzeit des Nadelschließsensors eine Streuung seines piezoelektrischen Longituninaleffekts von bis zu 30 %. Dieser beschreibt das Verhältnis, der auf das Piezoelement des Nadelschließsensors wirkenden mechanischen Kraft und dem parallel zu ihr erzeugten magnetischen Feld, welches das Sensorsignal generiert.
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Offenbarung der Erfindung
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In dem Verfahren zur Ermittlung eines Ankerhubs eines Steuerventils eines Kraftstoffinjektors, welcher einen Nadelschließsensor aufweist, wird der Ankerhub aus einem Ausgangswert ermittelt. Der Ausgangswert hängt von einem Signalrauschen eines Signals des Nadelschließsensors bei geöffnetem Steuerventil ab. Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit größer werdendem Ankerhub ein erhöhtes Signalrauschen des Signals des Nadelschließsensors auftritt, dessen Grundfrequenz insbesondere im Bereich von 42 kHz bis 48 kHz liegt. Die Ursachen dieses Signalrauschens sind Druckschwingungen im Ventilraum des Steuerventils. Diese entstehen zum einen durch eine Druckpulsation an der Ablaufdrossel des Steuerventils. Zum anderen entstehen sie durch einen verstärkten Blasenkollaps in der Nähe des Ankerbolzens. Dieser wird dadurch verursacht, dass im Ventilraum des Steuerventils mit abnehmendem Ventilraumdruck ein erhöhter Dampfanteil vorliegt. Der Ventilraumdruck ist eine Funktion des Ankerhubs.
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Der Ausgangswert ist in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens eine mittlere Amplitude der Schwingungen des Signals. Hierbei wird insbesondere über die Änderungen der Signalamplitude in jenem Zeitraum gemittelt, in welchem das Steuerventil mit einem Anzugsstrom oder mit einem Haltestrom bestromt wird. Hochfrequente Änderungen der Signalamplitude in diesem Zeitraum sind eine unmittelbare Folge des Signalrauschens.
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Nach dem Abschalten des Haltestroms des Steuerventils nimmt das Signal des Nadelschließsensors einen ersten Wert an. Damit ist der Wert gemeint, der nach einem vollständigen Abklingen des durch das Steuerventil fließenden Stroms, gegebenenfalls im Rahmen einer Schnelllöschung, vorliegt. Das Signal des Nadelschließsensors steigt anschließend schnell auf ein lokales Maximum an und fällt danach auf einen konstanten Wert ab. Dieses lokale Maximum kann auch als Überschwinger bezeichnet werden. Am lokalen Maximum liegt ein zweiter Wert des Signals des Nadelschließsensors vor. Die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert ist eine Standardgröße in elektronischen Steuergeräten, welche Kraftstoffinjektoren steuern. Die mittlere Änderung (Hub/Hub-Streuung) dieser Größe hängt vom Signalrauschen des Signals ab. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird deshalb die mittlere Änderung (Hub/Hub-Streuung) als Ausgangswert verwendet.
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Wenn mittels des Verfahrens der Ankerhub ermittelt wurde, besteht weiterhin die Möglichkeit eine ermittelte Signalamplitude des Nadelschließsensors mit einem beispielsweise in einem elektronischen Steuergerät hinterlegten Referenzwert der Signalamplitude für den ermittelten Ankerhub zu vergleichen. Wenn die beiden Signalamplituden sich unterscheiden, kann aus dem Ergebnis des Vergleichs ein von 1 verschiedener Skalierungsfaktor der Signalamplitude ermittelt werden.
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In dem Verfahren zum Betreiben eines Steuerventils wird ein Signal des Nadelschließsensors mittels des Skalierungsfaktors skaliert. Das auf diese Weise skalierte Signal ermöglicht einen zuverlässigen Rückschluss auf den Ventilraumdruck des Kraftstoffinjektors, auch ohne die piezoelektrischen Eigenschaften des Nadelschließsensors zu kennen. Hierdurch können mehrere vorteilhafte Funktionen beim Betreiben des Kraftstoffinjektors implementiert werden:
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Das Integral des skalierten Signals des Nadelschließsensors beim Absetzen einer Kraftstoffvoreinspritzung hängt mit der Kraftstoffvoreinspritzungsmenge zusammen. Es kann daher vorgesehen sein, die Kraftstoffvoreinspritzungsmenge aus dem Integral des skalierten Signals zu ermitteln, um insbesondere im Kleinstmengenbereich und auch bei sehr kurzen Einspritzabständen eine hohe Genauigkeit der Mengendosierung zu ermöglichen.
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In einer weiteren Funktion kann vorgesehen sein, einen zeitlichen Verlauf des skalierten Signals des Nadelschließsensors zu erfassen und hieraus einen zeitlichen Verlauf des Ankerhubs zu ermitteln. Der ermittelte Verlauf kann mit einem erwarteten Verlauf des Ankerhubs verglichen werden und aus einer Abweichung zwischen dem ermittelten und dem erwarteten Verlauf entweder auf mindestens eine Eigenschaft eines mittels des Kraftstoffinjektors eingespritzten Kraftstoffs oder auf einen elektrischen Strombedarf des Kraftstoffinjektors geschlossen werden. Zur Ermittlung der Kraftstoffeigenschaften kann dabei beispielsweise eine FDV-Funktion (fuel detection by valve closing) verwendet werden, wie sie aus der
DE 10 2011 005 141 A1 bekannt ist. Der elektrische Strombedarf kann insbesondere mittels einer TSC-Regelung ermittelt werden. Dabei wird der Anzugsstrom des Kraftstoffinjektors in der Kälte zeitlich begrenzt erhöht. Diese Begrenzung wird mit steigender Kraftstofftemperatur und/oder Zeit schrittweise heruntergerampt. Die TSC-Regelung kann durch eine ständige Überwachung des Ankerhubs nach einem Kaltstart mittels des Verfahrens sehr genau gesteuert werden. Durch eine genaue Bestimmung des Fahrdrucks, d. h. des Ventilraumdrucks des Steuerventils während eines Schließvorgangs der Düse des Kraftstoffinjektors kann außerdem der Zulaufspalteffekt genau überwacht werden. Dies ermöglicht eine verbesserte ITC-Regelung (injector temperature compensation), die eine temperaturabhängige Änderung von Kraftstoffeigenschaften teilweise kompensiert, indem die Ansteuerdauer des Kraftstoffinjektors verändert wird. Für die beiden voranstehend beschriebenen Funktionen ist es bevorzugt, dass ein Temperaturmodell des Kraftstoffinjektors erstellt wird und eine dabei erhaltene Temperatur des Kraftstoffinjektors beim Skalieren des Signals berücksichtigt wird. Hierdurch kann der Effekt kompensiert werden, dass das Signal des Nadelschließsensors einen Temperaturgang von typischerweise 0,16 % pro Kelvin aufweist.
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Weiterhin kann das skalierte Signal für eine Online-Diagnose des Schaltventils des Kraftstoffinjektors verwendet werden. Dabei kann der elektrische Strombedarf entsprechend einem aus dem skalierten Signal ermittelten Wert des Ankerhubs angepasst werden. Bei einem schnellen Lastwechsel kann dann bedarfsabhängig ein geeignetes Stromregister gewählt werden. Wenn ein Kraftstoffhochdruckspeicher mehrere Kraftstoffinjektoren aufweist, so kann diese Anpassung Injektor-individuell erfolgen. Wenn sich das skalierte Signal sprunghaft ändert, was auf eine sprunghafte Änderung des Ankerhubs hinweist, z. B. durch das Auftreten von Partikeln im Kraftstoffinjektor, können Gegenmaßnahmen vorgesehen werden. Eine solche Gegenmaßnahme kann insbesondere eine Erhöhung der Bestromung des Kraftstoffinjektors sein, um eine Mindermenge zu vermeiden. Schließlich kann die bereits erwähnte Bestimmung des Fahrdrucks aus dem skalierten Signal verwendet werden, um eine Änderung des Fahrdrucks über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors zu beobachten und daraus auf einen Verkokungsgrad seiner Düse zu schließen.
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Die in dem Verfahren zum Betreiben des Steuerventils möglichen Funktionen können beispielsweise auch zur Diagnose in einer Werkstatt eingesetzt werden oder die Robustheit einer Werksprüfung steigern.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens zur Ermittlung des Ankerhubs und/oder des Verfahrens zum Betreiben des Steuerventils durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen dieser Verfahren in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Änderungen vornehmen zu müssen. Dazu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um mittels der Verfahren einen Ankerhub zu ermitteln und/oder ein Schaltventil zu betreiben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Schaltventils eines Kraftstoffinjektors, dessen Ankerhub mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden kann und das mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann.
- 2 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf eines Ankerhubs eines Ventilraumdrucks und eines Signals eines Nadelschließsensors in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 3 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen einem Ankerhub und einer mittleren Änderung einer Signalamplitude des Signals eines Nadelschließsensors in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf eines Stroms eines Ankerhubs und eines Signals eines Nadelschließsensors in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 5 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit des Integrals eines skalierten Signals eines Nadelschließsensors von einer Voreinspritzungsmenge in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Das in der 1 dargestellte elektromagnetisch betätigbare Steuerventil 19 dient der Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel 1 eines Kraftstoffinjektors in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem. Das Steuerventil 19 umfasst hierzu ein Ventilschließelement 2, das über einen hohlzylinderförmigen Ansatz 3 eines Ventilstücks 4 axial beweglich geführt ist. Das Ventilstück 4 bildet innerhalb des hohlzylinderförmigen Ansatzes 3 einen Ventilsitz 5 aus, gegen den das Ventilschließelement 2 mittels einer Feder 6 axial vorgespannt ist.
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Zum Öffnen des Steuerventils 19 wird eine Magnetspule 7 bestromt, so dass ein Magnetfeld aufgebaut wird dessen Magnetkraft auf einen Anker einwirkt, der vorliegend durch einen plattenförmigen Abschnitt 8 des Ventilschließelements 2 gebildet wird. Die Magnetkraft bewegt das Ventilschließelement 2 entgegen der Federkraft der Feder 6 in Richtung eines Magnetkerns 9 der die Magnetspule 7 umgibt und ein Hubanschlag für das Ventilschließelement 2 ausbildet. Öffnet das Steuerventil 19, so wird eine Verbindung eines Steuerraums 10 mit einem ringförmigen Ventilraum 11 hergestellt, der innerhalb des hohlzylinderförmigen Ansatzes 3 des Ventilstücks 4 angeordnet ist. Die Verbindung führt über eine Ablaufdrossel 12, die wie auch der Steuerraum 10 im Ventilstück 4 ausgebildet ist. Der im Steuerraum 10 herrschende Steuerdruck, der die Düsennadel 1 in Schließrichtung belastet, sinkt ab und die Düsennadel 1 vermag zu öffnen. Weiterhin weist das Steuerventil 19 einen Ventilnapf 13 auf.
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Der aus dem Steuerraum 10 in den Ventilraum 11 ablaufende Kraftstoff muss weiter abgeführt werden. Das Ventilstück 4 weist im hohlzylinderförmigen Ansatz 3 Radialbohrungen 14 auf, die eine dauerhafte Verbindung des Ventilraums 11 mit einem Niederdruckraum 15 herstellen.
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Um die Düsennadel 1 in ihren Sitz zurück zu stellen, muss der Steuerdruck im Steuerraum 10 wieder angehoben werden. Hierzu wird die Bestromung der Magnetspule 7 beendet, so dass die Feder 6 das Ventilschließelement 2 in seine Ausgangslage zurückstellt und das Steuerventil 19 schließt.
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Ein piezoelektrischer Nadelschließsensor 18 ist vorgesehen um den Druck p11 im Ventilraum 11 zu ermitteln.
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2 zeigt den Verlauf zweier unterschiedlicher Ankerhübe H mit der Zeit t, wenn das Schaltventil 19 geöffnet und wieder geschlossen wird. Das Öffnen des Schaltventils bewirkt zum einen den Abfall eines Drucks p11 im Ventilraum 11 und zum anderen einen Abfall des Signals S des Nadelschließsensors 18, welches als Spannungssignal in einem nicht dargestellten elektronischen Steuergerät erfasst wird. Bei geöffnetem Steuerventil 19 schwankt der Druck p11 im Ventilraum 11 und mit ihm auch das Signal S. Ein größerer Ankerhub H bewirkt dabei stärkere Schwankungen des Drucks p11 im Ventilraum 11 und damit auch ein stärkeres Signalrauschen des Signals S. Das Signalrauschen drückt sich in einer mittleren Amplitude ΔS der hochfrequenten Schwingungen des Signals S aus. Wie in 3 dargestellt ist, besteht ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Ankerhub H und der mittleren Amplitude ΔS. Aus diesem Zusammenhang wird der Ankerhub H in einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Ermittlung des Ankerhubs H ermittelt.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Ermittlung des Ankerhubs H wird der Strom I überwacht, welcher durch das Steuerventil 19 fließt. Wie in 4 dargestellt ist, steigt dieser ausgehend von einem Ausgangsniveau I0 zunächst als Booststrom auf einen Maximalwert I1 an und fällt dann auf ein konstantes Anzugsstromniveau I2 ab. Hierdurch steigt der Ankerhub H ebenfalls auf ein Maximum. Der Strom I wird nun auf ein Haltestromniveau I3 abgesenkt, welches ausreicht, um das Steuerventil offenzuhalten. Während des Anliegens des Anzugsstroms und des Haltestroms liegt ein Signalrauschen des Signals S des Nadelschließsensors 18 vor. Wenn der Haltestrom abgeschaltet wird und der Strom I auf das Ausgangsniveau I0 zurückkehrt, liegt ein erster Wert S1 des Signals S des Nadelschließsensors 18 vor, von dem ausgehend das Signal S schnell auf ein lokales Maximum S2 ansteigt. Von diesem lokalen Maximum fällt es wieder ab und nimmt anschließend einen in 4 nicht mehr dargestellten konstanten Wert an. Die Differenz zwischen den beiden Werten S1 , S2 des Signals S wird im zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Ermittlung des Ankerhubs H als Ausgangswert verwendet, um den Ankerhub H zu berechnen. Wie aus 4 erkennbar ist, wird die mittlere Änderung (Hub/Hub-Streuung) dieser Differenz mit zunehmendem Signalrauschen des Signals S größer.
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Sobald mittels des ersten Ausführungsbeispiels oder des zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens der Ankerhub H ermittelt wurde, wird ein im nicht dargestellten elektronischen Steuergerät für diesen Ankerhub H hinterlegter Referenzwert der Signalamplitude ausgelesen und mit dem aktuell gemessenen Wert der Signalamplitude verglichen. Das Verhältnis dieser beiden Werte wird als Skalierungsfaktor abgespeichert und auf die im Folgenden gemessenen Signalamplituden angewendet, um ein skaliertes Signal Ss zu erhalten.
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Wenn mittels des Kraftstoffinjektors Voreinspritzungen abgesetzt werden, so wird über das skalierte Signal Ss in dem Zeitraum integriert, in dem es von seinem Ausgangswert auf ein lokales Minimum abfällt, bis es wieder auf ein lokales Maximum ansteigt (siehe 4). Das so erhaltene Integral, ∫Ss hängt gemäß 5 mit der Voreinspritzungsmenge m(VE) zusammen, so dass diese ermittelt werden kann. Die ermittelte Voreinspritzungsmenge m(VE) wird in einer Voreinspritzungsmengenregelung verwendet.
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Das skalierte Signal Ss ermöglicht im weiteren Betrieb des Kraftstoffinjektors stets einen unmittelbaren Rückschluss auf den Ankerhub H. Der so erhaltene Ankerhub H wird in einer FDV-Funktion, in einer TSC-Regelung und in einer ITC-Regelung verwendet. Die Bestromung des Steuerventils 19 wird im elektronischen Steuergerät in Abhängigkeit vom Ankerhub H angepasst, um bei einer Auslösung einer Sprungfunktion bedarfsabhängig ein Stromregister zu wählen und auch bei anderen sprunghaften Änderungen des Ankerhubs H gegebenenfalls erforderliche Stromerhöhungen durchzuführen und so eine Sitzdrosselung zu vermeiden. Auch eine langsame Drift des Ankerhubs H über die Lebensdauer des Schaltventils 19 wird so kompensiert und eine eventuelle Verkokung einer Düse des Kraftstoffinjektors rechtzeitig erkannt. Mittels eines Temperaturmodels des Kraftstoffinjektors wird dabei kontinuierlich dessen Temperatur überwacht und aus dem bekannten Temperaturgang des Kraftstoffinjektors erfolgt eine temperaturabhängige Korrektur des skalierten Signals Ss .
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014204098 A1 [0003]
- DE 102011005141 A1 [0010]